济宁医学院基础医学院分子医学与化学实验室 山东省济宁市 272100
摘要：生物化学是实践性比较强的学科，理论讲授和实验操作相结合才能达到好的教学效果，而虚拟现实技术的发展为生物化学实验教学提供了一条新的途径。鉴于此，文章重点就3D虚拟技术在生物化学实验教学中的应用进行研究分析，以供参考和借鉴。
关键词：3D虚拟技术；生物化学；实验教学；应用
引言
生物化学实验是综合类高校以及医学院校的多个专业学生必修的一门专业基础课程，生物化学实验课一方面是生物化学理论课的实践部分，可帮助学生对生物化学的基本概念和过程进行理解。另一方面也具有相对独立的理论体系和操作流程，是培养医学生科研素质的基础课程。因此，生物化学实验课的课程设计以及学习效果对医学生的科研素质的培养至关重要，相关教学工作人员必须要给予高度重视。
1虚拟现实技术概述
1.1虚拟现实技术概念
虚拟实验技术的概念是由美国弗吉尼亚大学的威廉·沃尔夫教授于1989年提出，是指按照实验教学的基本要求，在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样运用各种虚拟实验器械和设备，对建立起来的实验模型进行实时仿真操作，完成各种预定的实验项目，是一种以虚代实、以软代硬的实验教学形式。这种虚拟实验建立在真实实验的基础之上，对实验所使用的元器件、仪器设备等进行模拟，实验者通过鼠标点击与拖曳，结合键盘操作，可以像对真实元器件一样对虚拟实验设备进行操作，从而完成整个虚拟实验过程。
1.2虚拟现实技术的优势
虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中。相对比其他技术，虚拟现实技具有四方面优势：第一，多感知性。它指除一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至还包括味觉、嗅觉、感知等，理想的虚拟现实应该具有一切人所具有的感知功能；第二，存在性。它指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度，理想的模拟环境应该达到使用户难辨真假的程度；第三，交互性。它指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度；第四，自主性。它指虚拟环境中的物体依据现实世界物理运动定律动作的程度。
2生物化学虚拟实验应用现状
近年来，随着虚拟现实技术的发展，虚拟实验在实验教学中的应用也越来越广泛，涉及到多个专业和学科。国内外很多的高校、科研院所以及远程教育机构都积极地投入虚拟实验平台的构建，开展虚拟实验教学研究。目前教育部批准了两批共200个国家级虚拟仿真教学实验中心，其中包括清华大学的数字化制造系统虚拟仿真实验教学中心；北京师范大学、郑州大学的化学虚拟仿真实验教学中心；浙江大学、山东大学、北京协和医学院、哈尔滨医科大学、南通大学、重庆医科大学等的医学虚拟仿真实验教学中心；东北师范大学、临沂大学的生物学虚拟仿真实验教学中心等。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆关于生物化学虚拟仿真实验研究较少，没有完整的生物化学实验平台，只有生物化学专业教师自己开发的部分虚拟实验软件，如梁亦龙开发了虚拟PCR实验、黄佳玲报道了采用Flash技术开发的聚丙烯酰胺凝胶电泳的虚拟实验等，各高校和研究所都还没有国家级的生物化学虚拟实验教学中心获得批准。
33D虚拟技术在生物化学实验教学中的应用
文章开发设计以3D虚拟技术为主的生物化学实验教学软件，作为本科生生物化学线下实验的有利补充，具体以OB/OB肥胖型小鼠与正常小鼠的肝蛋白组双向荧光差异表达谱分析实验为例，介绍在线实验教学软件的设计、制作以及初步应用的基本情况，详细如下：
3.1软件的框架设计
本教学软件分为两大部分：第一部分为完整的文字实验方案部分，包含实验目的、实验原理以及实验步骤等，学生可以通过文字部分的自学，把握整个实验的目的和方案；第二部分是实验的操作界面。本部分采取分模块、分步骤的形式，这样学生既可以从头开始整个综合性的实验操作，也可以选择进行单项实验的操作，例如蛋白浓度测定、SDS-PAGE电泳等版块就是将传统教材中的单一实验进行了融合，学生也可以利用这些版块对实验课的内容进行复习和熟悉。
3.2软件界面和操作的设计原则
首先，软件采用第一人称视角仿真设计。软件出现的设备、试剂等全部参照实验室原物仿真设计，保证了学生较好的体验感，尤其值得一提的是，所有设备的操作界面都是接触式设置，例如等电聚焦电泳仪的电压和电泳时间的设置，全部采用与仪器相同的接触式按钮设置的方式，可以帮助学生真实模拟大型精密仪器的使用方法；其次，实验的操作版本有含操作提示和不含操作提示两种方式，以适应不同程度学生的使用需求。如果研究生和高年级学生在使用此软件时，建议他们使用不含操作提示的模式，这样所有的仪器设备、移液器、试剂均需自行根据标准的实验步骤来选择和进行，虽然难度较大，但是学生的自主性更强；而对于没有实验室经验的低年级学生，则可以打开操作提示，在操作提示的帮助下完成整个实验。
3.3探索性的原则在整个软件中的体现
在软件设计中我们设计了一些计算和操作的问题环节，启发学生的主动性和兴趣，例如在荧光标记蛋白样品时，我们只在实验步骤中指出“需要标记100”的蛋白样品，但是具体需要的样品体积则需要学生根据前一部分蛋白定量的实验结果计算出的蛋白样品的浓度，然后进行换算才能得出。如果学生加入的体积不对，则会提示学生重新计算。另外，设备的设置也是如此，参数设置错误后，系统会显示整个实验失败。这些环节的引入发挥了操作者的主动性，避免了传统教学中有些学生只当操作工、不动脑筋的缺点。
3.4在线远程操作的形式
软件采用网页的形式，学生可以在授权登录后，在任意地点直接联网进行操作，不仅非常方便，而且实现了远程操作。由于虚拟实验没有耗材成本，我们拟在本软件开发成熟后，将此软件无偿地对中西部实验硬件条件较差的医学院校的学生开放，给他们提供远程学习先进生物化学实验技术的机会，促进我国整体的生物化学实验教学质量的提升。
结束语
综上所述，虚拟仿真实验的开发将能够有效缓解学校在经费、实验室、仪器等方面的不足和困难，而且利用网络进行虚拟实验教学可以突破传统实验对时间和空间的限制，无论是学生还是教师，都可以随时随地上网进入虚拟实验室，进行操作仪器、实验学习，有助于提高实验教学质量和学生学习的积极性和主动性，网上虚拟实验室的开发与应用将会对实验教学改革产生重大的影响。
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论文作者:周晓娅
论文发表刊物:《健康世界》2017年14期
论文发表时间:2017/10/10
标签：生物化学论文; 虚拟现实论文; 操作论文; 技术论文; 学生论文; 实验教学论文; 软件论文; 《健康世界》2017年14期论文;